第七章外围设备.

1、计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一1外部设备外部设备计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一2 外部设备是计算机系统中不可缺少的重要组成部外部设备是计算机系统中不可缺少的重要组成部分，本章将介绍磁介质存储器的分，本章将介绍磁介质存储器的存储原理存储原理，常用磁，常用磁介质存储设备和其他辅助介质存储设备和其他辅助存储设备存储设备以及常见的以及常见的输入输入输出设备的工作原理输出设备的工作原理。计算机组成原理计算机组成原理7.1 外部设备概述2022年年5月月9日星期一日星期一3 中央处理器（中央处理器（CPU）和主存储器（）和主存储器（MM）

2、构）构成计算机的成计算机的主机主机。除主机以外，围绕着主机而设。除主机以外，围绕着主机而设置的各种硬件装置叫做置的各种硬件装置叫做外部设备或外围设备外部设备或外围设备，它，它们主要用来完成数据的输入、输出、成批存储以们主要用来完成数据的输入、输出、成批存储以及对信息加工处理的任务。及对信息加工处理的任务。7.1.1 外部设备的分类外部设备的分类 外部设备的种类很多，从它们的功能及其在外部设备的种类很多，从它们的功能及其在计算机系统中的作用来看，可以分为以下五类：计算机系统中的作用来看，可以分为以下五类：计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一4计算机组成原理计算机组成原

3、理2022年年5月月9日星期一日星期一51.输入输入/输出设备输出设备 以计算机主机为观察点以计算机主机为观察点，向主机输入信息的，向主机输入信息的外部设备称为输入设备；接受计算机主机输出信外部设备称为输入设备；接受计算机主机输出信息的外部设备称为输出设备。息的外部设备称为输出设备。 2.辅助存储器辅助存储器 辅助存储器即外存储器，它是指主机以外的辅助存储器即外存储器，它是指主机以外的存储装置，又称为后援存储器。存储装置，又称为后援存储器。 计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一备注备注63.终端设备终端设备 终端设备由输入设备、输出设备和终端设备由输入设备、输出设备

4、和终端控制器终端控制器组成，组成，通常通常通过通信线路与主机相连通过通信线路与主机相连。终端设备具有向计算机。终端设备具有向计算机输入和接收计算机输出的能力，输入和接收计算机输出的能力，具有与通信线路连接的具有与通信线路连接的通信控制能力通信控制能力，有些还具有一定的数据处理能力。，有些还具有一定的数据处理能力。4.过程控制设备过程控制设备 模模/数数、数数/模转换设备模转换设备均是过程控制设备，有关的均是过程控制设备，有关的检测设备检测设备也属于过程控制设备。也属于过程控制设备。5.脱机设备脱机设备 脱机设备是指在脱离主计算机的情况下，由设备本脱机设备是指在脱离主计算机的情况下，由设备本身完

5、成数据制备的设备。身完成数据制备的设备。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一77.1.2 外部设备的地位和作用外部设备的地位和作用 外部设备是计算机和外界联系的纽带、接口外部设备是计算机和外界联系的纽带、接口和界面。如果没有外部设备，计算机将无法工作。和界面。如果没有外部设备，计算机将无法工作。 外部设备在计算机系统中的作用可以分为四外部设备在计算机系统中的作用可以分为四个方面：个方面：计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一87.1.2 外部设备的地位和作用外部设备的地位和作用外部设备是人机对话的通道外部设备是人机对话的通道 无论是微型计算

6、机系统，还是小、中、无论是微型计算机系统，还是小、中、大型计算机系统，要把数据、程序送入计算机或大型计算机系统，要把数据、程序送入计算机或要把计算机的计算结果及各种信息送出来，都要要把计算机的计算结果及各种信息送出来，都要通过外部设备来实现。因此，外部设备成为人机通过外部设备来实现。因此，外部设备成为人机对话的通道。对话的通道。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一97.1.2 外部设备的地位和作用外部设备的地位和作用外部设备是完成外部设备是完成 数据数据/媒体媒体 变换的设备变换的设备 人们习惯用字符、汉字、图形、图像等人们习惯用字符、汉字、图形、图像等来表达信息的

7、含义，而计算机内部却是以电信号来表达信息的含义，而计算机内部却是以电信号表示的二进制代码。因此，在人机对话交换信息表示的二进制代码。因此，在人机对话交换信息时，首先需要将各种信息变成计算机能识别的二时，首先需要将各种信息变成计算机能识别的二进制代码形式，然后再输入计算机；同样，计算进制代码形式，然后再输入计算机；同样，计算机处理的结果也必须变换成人们所熟悉的表示方机处理的结果也必须变换成人们所熟悉的表示方式，这两种变换只能通过外部设备来实现。式，这两种变换只能通过外部设备来实现。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一107.1.2 外部设备的地位和作用外部设备的地位和

8、作用外部设备是计算机系统软件和信息的驻在地外部设备是计算机系统软件和信息的驻在地 随着计算机技术的发展，系统软件、数随着计算机技术的发展，系统软件、数据库和待处理的信息量越来越大，不可能全部存据库和待处理的信息量越来越大，不可能全部存放在主存中，因此，以磁盘存储器或光盘存储器放在主存中，因此，以磁盘存储器或光盘存储器为代表的辅助存储器已成为系统软件、数据库及为代表的辅助存储器已成为系统软件、数据库及各种信息的驻在地。各种信息的驻在地。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一117.1.2 外部设备的地位和作用外部设备的地位和作用外部设备是计算机在各领域应用的桥梁外部设备

9、是计算机在各领域应用的桥梁 随着计算机应用范围的扩大，已从早期随着计算机应用范围的扩大，已从早期的数值计算扩展到文字、表格、图形、图像和语的数值计算扩展到文字、表格、图形、图像和语音等非数值信息的处理。为了适应这些处理，各音等非数值信息的处理。为了适应这些处理，各种新型的外部设备陆续被制造出来。由此可见，种新型的外部设备陆续被制造出来。由此可见，无论哪个领域、哪个部门，只有配置了相应的外无论哪个领域、哪个部门，只有配置了相应的外部设备，才能使计算机在这些方面获得广泛的应部设备，才能使计算机在这些方面获得广泛的应用。用。计算机组成原理计算机组成原理7.2 磁介质存储器的性能和原理2022年年5月

10、月9日星期一日星期一127.2.1 磁介质存储器的读写磁介质存储器的读写 1.磁记录介质和磁头磁记录介质和磁头(1)磁记录介质磁记录介质 在磁介质存储器中，信息是记录在一薄层磁在磁介质存储器中，信息是记录在一薄层磁性材料的表面上，这个薄层称为性材料的表面上，这个薄层称为磁层磁层。磁层与所磁层与所附着的载体附着的载体被称为被称为记录介质记录介质或记录媒体。或记录媒体。 载体是非磁性材料，如聚酯塑料、铝合金片。载体是非磁性材料，如聚酯塑料、铝合金片。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一13(2)磁头磁头 磁头是磁记录设备的关键部件之一，它是一种磁头是磁记录设备的关键部件

11、之一，它是一种电磁转电磁转换换元件。元件。写磁头写磁头实现把电脉冲表示的二进制代码转换成磁实现把电脉冲表示的二进制代码转换成磁记录介质上的磁化状态，即记录介质上的磁化状态，即电磁转换电磁转换；读磁头读磁头实现把磁实现把磁记录介质上的磁化状态转换成电脉冲，即记录介质上的磁化状态转换成电脉冲，即磁电转换磁电转换。 在读写过程中，记录介质与磁头之间相对运动，一般在读写过程中，记录介质与磁头之间相对运动，一般是记录介质运动而磁头不动。是记录介质运动而磁头不动。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一142.写入过程写入过程 在写磁头线圈中通以一定方向的写电流，于在写磁头线圈中通

12、以一定方向的写电流，于是在磁头下方的一个局部区域被磁化，形成一个是在磁头下方的一个局部区域被磁化，形成一个磁化单元或称记录单元。当这部分介质移出磁头磁化单元或称记录单元。当这部分介质移出磁头作用区后，仍将作用区后，仍将留下足够强的剩磁留下足够强的剩磁。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一15 在写磁头中通以正、负两个不同方向的写电流，在写磁头中通以正、负两个不同方向的写电流，就会产生两种不同的剩磁状态，正好对应二进制就会产生两种不同的剩磁状态，正好对应二进制信息的信息的“1”和和“0”。3.读出过程读出过程 读出时，读出线圈不外加电流。当某一磁化读出时，读出线圈不外

13、加电流。当某一磁化单元运动到读磁头下方时，使得磁头中流过的磁单元运动到读磁头下方时，使得磁头中流过的磁通有很大的变化，于是通有很大的变化，于是在读出线圈两端产生感应在读出线圈两端产生感应电动势电动势e。感应电动势。感应电动势e经放大、检波、限幅、整经放大、检波、限幅、整形和选通后，获得符合要求的信号。形和选通后，获得符合要求的信号。演示演示计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一167.2.2 磁介质存储器的技术指标磁介质存储器的技术指标1.记录密度记录密度 记录密度记录密度是指是指磁介质存储器单位长度或单位磁介质存储器单位长度或单位面积磁层表面所能存储的二进制信息量面

14、积磁层表面所能存储的二进制信息量。通常以。通常以道密度和位密度表示，也可用两者的乘积道密度和位密度表示，也可用两者的乘积-面密面密度来表示。度来表示。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一17道密度道密度 道密度道密度又叫又叫横向密度横向密度，是指，是指垂直于磁道方向垂直于磁道方向上单位长度中的磁道数目上单位长度中的磁道数目，道密度的单位是道，道密度的单位是道/英英寸（寸（TPI）或道）或道/毫米（毫米（TPM）。）。 磁道磁道指的是磁头写入磁场在记录介质表面上指的是磁头写入磁场在记录介质表面上形成的磁化轨迹。形成的磁化轨迹。位密度位密度 位密度位密度又叫又叫纵向密度

15、纵向密度，是指，是指沿磁道方向上单沿磁道方向上单位长度中所能记录的二进制信息的位数位长度中所能记录的二进制信息的位数，位密度，位密度的单位为位的单位为位/英寸（英寸（bpi）或位）或位/毫米（毫米（bpm）。）。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一182.存储容量存储容量 存储容量存储容量是指是指整个磁介质存储器所能存储的整个磁介质存储器所能存储的二进制信息的总量二进制信息的总量，一般用位或字节为单位表示，一般用位或字节为单位表示，它与存储介质尺寸和记录密度直接相关。它与存储介质尺寸和记录密度直接相关。 磁介质存储器的存储容量有非格式化容量和磁介质存储器的存储容量有

16、非格式化容量和格式化容量两种指标。非格式化容量是指磁记录格式化容量两种指标。非格式化容量是指磁记录表面上可全部利用的磁化单元数；表面上可全部利用的磁化单元数；格式化容量是格式化容量是指用户实际可以使用的存储容量指用户实际可以使用的存储容量。格式化容量一。格式化容量一般约为非格式化容量的般约为非格式化容量的6070左右。左右。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一193.平均存取时间平均存取时间 当磁头接到读当磁头接到读/写命令，从原来的位置移动到写命令，从原来的位置移动到指定位置，并完成读指定位置，并完成读/写操作的时间写操作的时间叫叫存取时间存取时间。对于磁盘存储器

17、来说，存取时间主要包括两部分：对于磁盘存储器来说，存取时间主要包括两部分：一部分是指磁头从原先位置移动到目的磁道所需一部分是指磁头从原先位置移动到目的磁道所需要的时间，称为定位时间或要的时间，称为定位时间或寻道时间寻道时间；另一部分；另一部分是指在到达目的磁道以后，等待被访问的记录区是指在到达目的磁道以后，等待被访问的记录区旋转到磁头下方所旋转到磁头下方所等待的时间等待的时间。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一20 平均存取时间平均存取时间还应当包括信息的读还应当包括信息的读/写操作时写操作时间，但这一时间相对平均间，但这一时间相对平均寻寻道时间和平均等待时间道时

18、间和平均等待时间来说可以忽略不计。所以磁盘的平均存取时间来说可以忽略不计。所以磁盘的平均存取时间Ta ，由由平均平均寻寻道时间道时间Ts 和平均等待时间和平均等待时间Tw 组成：组成： Ta Ts+Tw = tsmax+ tsmin 2twmax+twmin 2 + 计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一214.数据传送率数据传送率 磁磁介质介质存储器存储器在单位时间内向主机传送数据在单位时间内向主机传送数据的位数或字节数，的位数或字节数，称为称为数据传送率数据传送率Dr ，单位为位，单位为位/秒或字节秒或字节/秒。秒。5.误码率误码率 误码率误码率是衡量磁是衡量磁介

19、质介质存储器出错概率的参数，存储器出错概率的参数，它它等于读出的出错信息位数和读出总的信息位数等于读出的出错信息位数和读出总的信息位数之比之比。 计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一227.2.3 数字磁记录方式数字磁记录方式 为了提高磁介质存储器的性能，扩大存储容为了提高磁介质存储器的性能，扩大存储容量，加快存取速度，除了要不断改善磁头和记录量，加快存取速度，除了要不断改善磁头和记录介质的电磁性能和机械性能之外，介质的电磁性能和机械性能之外，选用高性能的选用高性能的数字磁记录方式对提高记录密度和可靠性也是很数字磁记录方式对提高记录密度和可靠性也是很重要的重要的。

20、磁记录方式是一种编码方式磁记录方式是一种编码方式，即按照某种规，即按照某种规律律将一连串的二进制数字信息变换成记录介质上将一连串的二进制数字信息变换成记录介质上相应磁化翻转形式。相应磁化翻转形式。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一237.3.1 硬盘存储器的基本结构与分硬盘存储器的基本结构与分类类 硬盘存储器的硬件包括硬盘存储器的硬件包括硬盘硬盘控制器控制器（适配器）、（适配器）、硬盘驱动器硬盘驱动器以及以及连接电缆连接电缆。硬盘控制器对硬。硬盘控制器对硬盘进行管理，并在主机和硬盘之盘进行管理，并在主机和硬盘之间传送数据。间传送数据。 硬盘驱动器内硬盘驱动器内有有

21、多个盘片，多个盘片，它们被叠装在主轴上，构成一个它们被叠装在主轴上，构成一个盘组，每个盘片的两面都可用作盘组，每个盘片的两面都可用作记录面。记录面。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一24 硬盘存储器可分为硬盘存储器可分为温彻斯特盘温彻斯特盘和非温彻斯特和非温彻斯特盘两类。盘两类。温彻斯特盘的主要特点是磁头、盘片、温彻斯特盘的主要特点是磁头、盘片、磁头定位机构、主轴，甚至连读磁头定位机构、主轴，甚至连读/写驱动电路等都写驱动电路等都被密封在一个盘盒内被密封在一个盘盒内，构成一个头盘组合体，构成一个头盘组合体，这个组合体不可随意拆卸，它的防尘性能好，可这个组合体不可随

22、意拆卸，它的防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。而非温式磁盘的靠性高，对使用环境要求不高。而非温式磁盘的磁头和盘片等不是密封的，因此要求有超磁头和盘片等不是密封的，因此要求有超净净使用使用环境。环境。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一25计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一26 硬盘存储器可分为硬盘存储器可分为固定头硬盘固定头硬盘和和活动头硬盘活动头硬盘两类。两类。固定头硬盘机中，每个磁道对应一个磁头固定头硬盘机中，每个磁道对应一个磁头，省去了磁头找磁道的时间，存取速度快。但由于省去了磁头找磁道的时间，存取速度快。但由于磁头太多，

23、使磁盘的道密度不可能很高。磁头太多，使磁盘的道密度不可能很高。移动头移动头硬盘机中，每个盘面上只有一个读写头硬盘机中，每个盘面上只有一个读写头，安装在，安装在读写臂上，当需要在不同磁道上读写时，要驱动读写臂上，当需要在不同磁道上读写时，要驱动读写臂沿盘面作径向移动。由于增加了寻道时间，读写臂沿盘面作径向移动。由于增加了寻道时间，所以其存取时间比固定头硬盘机要长。所以其存取时间比固定头硬盘机要长。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一27演示演示计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一287.3.2 硬盘驱动器硬盘驱动器1.磁头磁头 接触启停式浮

24、动磁头接触启停式浮动磁头是是指读指读/写操作时磁头浮写操作时磁头浮空，不与盘面记录区相接触空，不与盘面记录区相接触，以免划伤记录区。，以免划伤记录区。但在启动前和停止后，磁头将仍与盘面接触。具但在启动前和停止后，磁头将仍与盘面接触。具体的做法是：体的做法是：在盘面记录区与轴心之间有一段空在盘面记录区与轴心之间有一段空白区，被当作启停区白区，被当作启停区或着陆区。或着陆区。未启动前及停止未启动前及停止后，磁头停在启停区后，磁头停在启停区，与盘面接触。当盘片旋转，与盘面接触。当盘片旋转并达到额定转速时，气垫浮力使磁头浮起并达到并达到额定转速时，气垫浮力使磁头浮起并达到所需的浮动高度，然后将磁头向外

25、移至所需的浮动高度，然后将磁头向外移至0号磁道，号磁道，准备寻道。准备寻道。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一297.3.2 硬盘驱动器硬盘驱动器2.磁头定位系统磁头定位系统 磁头定位系统驱动磁头沿盘面径向移动寻道并精磁头定位系统驱动磁头沿盘面径向移动寻道并精确定位。磁头定位系统应包括以下操作：确定位。磁头定位系统应包括以下操作： 硬盘驱动器启动后，或是中途寻道出错后，要硬盘驱动器启动后，或是中途寻道出错后，要使磁头准确地回到使磁头准确地回到0 0号磁道，以等待寻道命令。号磁道，以等待寻道命令。 要能快速、准确地将磁头移到指定磁道的中心要能快速、准确地将磁头移到指

26、定磁道的中心位置。位置。 当硬盘驱动器发生故障或掉电后，要使磁头迅当硬盘驱动器发生故障或掉电后，要使磁头迅速退出盘面数据区，以保护盘面免受擦伤。速退出盘面数据区，以保护盘面免受擦伤。 目前，在磁盘中采用的碰头定位系统有下述两种目前，在磁盘中采用的碰头定位系统有下述两种类型：类型：计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一30(1)步进电机定位机构步进电机定位机构 整个定位机构是开环控制。根据现行磁道号整个定位机构是开环控制。根据现行磁道号与目的的磁道号之差，求得步进脉冲数，与目的的磁道号之差，求得步进脉冲数，每发一每发一个步进脉冲，脉冲移动一个道距个步进脉冲，脉冲移动一个

27、道距。步进电机定位。步进电机定位机构的结构紧凑、控制简单，但定位精度比较低。机构的结构紧凑、控制简单，但定位精度比较低。(2)音圈电机定位机构音圈电机定位机构 音圈电机可以直接驱动磁头作直线运动音圈电机可以直接驱动磁头作直线运动，整，整个定位系统是一个带有速度和位置反馈的闭环调个定位系统是一个带有速度和位置反馈的闭环调节自动控制系统，其特点是寻道速度快，定位精节自动控制系统，其特点是寻道速度快，定位精度高。度高。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一317.3.3 硬盘的信息分布和磁盘地址硬盘的信息分布和磁盘地址1.硬盘的信息分布硬盘的信息分布 在硬盘中信息分布呈如下

28、层次：记录面、圆柱面、在硬盘中信息分布呈如下层次：记录面、圆柱面、磁道、扇区。磁道、扇区。(1)记录面记录面 硬盘驱动器中可有多硬盘驱动器中可有多个盘片（数量为个盘片（数量为120片），片），每个盘片有两个记录面，每每个盘片有两个记录面，每个记录面对应一个磁头。个记录面对应一个磁头。(如右图如右图)计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一32(2)磁道磁道 在读在读/写时，磁头固定写时，磁头固定不动，盘片高速旋转，不动，盘片高速旋转，磁化磁化区构成一个闭合圆环区构成一个闭合圆环，称为，称为磁道磁道。在盘面上，一条条磁。在盘面上，一条条磁道形成一组同心圆，最外圈道形成一组

29、同心圆，最外圈的磁道为的磁道为0号，往内则磁道号，往内则磁道号逐步增加。号逐步增加。（每个盘片可（每个盘片可有有5002500条磁道）。条磁道）。 ( (参参见见P248图图7-4b) )图图7-4 计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一33(3)圆柱面圆柱面 在一个盘组中，各记录面在一个盘组中，各记录面上上相同编号（位置）的诸磁道相同编号（位置）的诸磁道构成一个构成一个圆柱面圆柱面。例如，某驱。例如，某驱动器有动器有4片片8面，则面，则8个个0号磁道号磁道构成构成0号圆柱面，号圆柱面，8个个1号磁道号磁道构成构成1号圆柱面，号圆柱面，。硬盘硬盘的圆柱面数等于一个记录

30、面上的圆柱面数等于一个记录面上的磁道数的磁道数，圆柱面号即对应的圆柱面号即对应的磁道号。磁道号。0n计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一34 引入圆柱面的概念是为了提高硬盘的存储引入圆柱面的概念是为了提高硬盘的存储速度。当主机要存入一个较长的文件时，若一条速度。当主机要存入一个较长的文件时，若一条磁道存不完，就需要存放在几条磁道上。这时主磁道存不完，就需要存放在几条磁道上。这时主机应选择位于同一记录面上的几条磁道？还是选机应选择位于同一记录面上的几条磁道？还是选择同一圆柱面上的几条磁道呢？很明显，择同一圆柱面上的几条磁道呢？很明显，选择同选择同一圆柱面上的磁道，则各

31、记录面的磁头可同时定一圆柱面上的磁道，则各记录面的磁头可同时定位，换道的时间位，换道的时间仅仅是磁头选择电路的译码时间是磁头选择电路的译码时间。所以在存入文件时，应首先将一个文件尽可能地所以在存入文件时，应首先将一个文件尽可能地存放在同一圆柱面中。存放在同一圆柱面中。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一35(4) 扇区扇区 通常将一条磁道划分为若干个段，每个段称通常将一条磁道划分为若干个段，每个段称为一个扇区或扇段，每个扇区存放一个定长信息为一个扇区或扇段，每个扇区存放一个定长信息块（如块（如512个字节）。个字节）。一条磁道划分多少扇区，每一条磁道划分多少扇区，每

32、个扇区可存放多少字节，一般由操作系统决定。个扇区可存放多少字节，一般由操作系统决定。磁道上的扇区编号从磁道上的扇区编号从1号开始。号开始。 计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一362.磁盘地址磁盘地址 主机向磁盘控制器送出有关寻址信息，磁主机向磁盘控制器送出有关寻址信息，磁盘地址一般表示为：盘地址一般表示为： 驱动器号、圆柱面（磁道）号、记录面驱动器号、圆柱面（磁道）号、记录面（磁头）号、扇区号（磁头）号、扇区号计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一37 7.3.4 硬盘存储器的技术参数硬盘存储器的技术参数1.硬盘的主要性能指标硬盘的主要性

33、能指标(1)硬盘容量硬盘容量 硬盘容量当然是越大越好。市场上最新的硬盘硬盘容量当然是越大越好。市场上最新的硬盘容量已达容量已达2TB以上。以上。(2)主轴转速主轴转速 从理论上来说，转速越快，硬盘的速度越快。从理论上来说，转速越快，硬盘的速度越快。(3)道密度道密度 硬盘驱动器在介质上的道密度可达硬盘驱动器在介质上的道密度可达38 000TPI或更高。或更高。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一38(4)平均存取时间平均存取时间 平均存取时间近似等于平均寻道时间和平均平均存取时间近似等于平均寻道时间和平均等待时间之和。等待时间之和。(5)缓存缓存 缓存存在的目的是为

34、了解决硬盘内部与接口缓存存在的目的是为了解决硬盘内部与接口数据之间速度不匹配的问题，它可以提高硬盘的数据之间速度不匹配的问题，它可以提高硬盘的读写速度读写速度。现有市场上。现有市场上32MB、64MB已是主流。已是主流。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一39(6)数据传输率数据传输率 硬盘的数据传输率分为硬盘的数据传输率分为内部数据传输率内部数据传输率和和外外部数据传输率部数据传输率。内部数据传输率主要依赖于硬盘。内部数据传输率主要依赖于硬盘的旋转速度，因硬盘的品牌及型号不同而有着较的旋转速度，因硬盘的品牌及型号不同而有着较大的差异。外部数据传输率指的是系统总线与

35、硬大的差异。外部数据传输率指的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与外部数据传输率与硬盘接口类型和缓存大小有关。硬盘接口类型和缓存大小有关。 计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一备注备注402.硬盘的接口标准硬盘的接口标准 硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行快慢和系统性能好坏。从整体的角度着程序运行快慢和系

36、统性能好坏。从整体的角度上，硬盘接口分为上，硬盘接口分为IDE、SCSI和和SATA等，等，IDE接口硬盘多用于家用产品中，接口硬盘多用于家用产品中，SCSI接口硬盘则主接口硬盘则主要应用于服务器市场，要应用于服务器市场，SATA是一种新生的硬盘是一种新生的硬盘接口类型，在家用市场中有着广泛的前景。接口类型，在家用市场中有着广泛的前景。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一41便携便携mini SATASATA标识标识计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一423. 磁盘参数的计算磁盘参数的计算 例：设有一个盘面直径为例：设有一个盘面直径为18

37、 in的磁盘组，有的磁盘组，有20个记录面，每面有个记录面，每面有5in的区域用于记录信息，记的区域用于记录信息，记录密度为录密度为100道道/in（TPI）和）和1000b/in（bpi），转），转速为速为2400 r/min，道间移动时间为，道间移动时间为0.2ms，试计算，试计算该盘组的容量、数据传送率和平均存取时间。该盘组的容量、数据传送率和平均存取时间。 每一记录面的磁道数每一记录面的磁道数N为为 N5 in/面面100道道/in500道道/面面 最内圈磁道的周长为最内圈磁道的周长为 L= (18-25)in=25.12 in计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日

38、星期一43 以最内圈磁道的周长当作每条磁道的长度，故以最内圈磁道的周长当作每条磁道的长度，故该盘组的存储容量（非格式化容量）为该盘组的存储容量（非格式化容量）为 C=1000b/in25.12in/道道500道道/面面20面面=251.2106 b=31.4106 B 磁盘旋转一圈的时间为磁盘旋转一圈的时间为 t=1/2400(r/min)60s/min =0.025s=25ms计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一44数据传送率为数据传送率为 Dr=每一道的容量每一道的容量/旋转一圈的时间旋转一圈的时间 =25120/25=1004.8b/ms=1.0048106

39、b/s =0.1256106 B/s =0.1256 MB/s平均存取时间为平均存取时间为 Ta (0+0.2*499)/2+(0+25)/2ms60 ms计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一45 非格式化容量最大位密度非格式化容量最大位密度最内圈磁道周最内圈磁道周长长总磁道数总磁道数 新的磁盘在使用之前需先进行格式化，新的磁盘在使用之前需先进行格式化，格式格式化实际上就是在磁盘上划分记录区，写入各种标化实际上就是在磁盘上划分记录区，写入各种标志信息和地址信息志信息和地址信息，这些信息占用了磁盘的存储，这些信息占用了磁盘的存储空间，故格式化之后的有效存储容量要小于非

40、格空间，故格式化之后的有效存储容量要小于非格式化容量。式化容量。 格式化容量每道扇区数格式化容量每道扇区数扇区容量扇区容量总磁总磁道数道数计算机组成原理计算机组成原理例：磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。存储区域内径22cm ，外径33cm，道密度为40道/cm，内层位密度400位/cm，转速2400转/分。问：(1)共有多少柱面?(2)盘组总存储容量是多少?(3)数据传输率多少?(4)采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么?寻址命令中如何表示磁盘地址? (5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上?2022年年5月

41、月9日星期一日星期一46计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一47解解：(1)有效存储区域有效存储区域=16.5-11=5.5(cm) 因为道密度因为道密度=40道道/cm，所以，所以405.5=220道，即道，即220个圆柱面个圆柱面(2)内层磁道周长为内层磁道周长为2R=23.1411=69.08(cm)每道信息量每道信息量=400位位/cm69.08cm=27632位位=3454B每面信息量每面信息量=3454B220=759880B盘组总容量盘组总容量=759880B10=7598800B(3)磁盘数据传输率磁盘数据传输率Dr=rN, N为每条磁道容量，为每条

42、磁道容量， N=3454B, r为磁盘转速，为磁盘转速，r=2400转转/60秒秒=40转转/秒秒 Dr=rN=403454B=13816B/s(4)采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录块采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录块(一个扇区一个扇区)，每个记录块记录固定字节数目的信息，在定长记录的数据块中，活动头磁每个记录块记录固定字节数目的信息，在定长记录的数据块中，活动头磁盘组的编址方式可用如下格式：盘组的编址方式可用如下格式：此地址格式表示有此地址格式表示有4台磁盘，每台有台磁盘，每台有16个记录面，每面有个记录面，每面有256个磁道，每个磁道，每道有道有16个扇区。

43、个扇区。(5)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个柱面上，如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个柱面上，因为不需要重新找道，数据读因为不需要重新找道，数据读/写速度快。写速度快。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一48 7.3.5 硬盘的分区域记录硬盘的分区域记录 传统硬盘驱动器传统硬盘驱动器的每个磁道上记录的扇的每个磁道上记录的扇区数是相同的，因而存区数是相同的，因而存储的信息量也是相同的，储的信息量也是相同的，这意味着在磁盘上位密这意味着在磁盘上位密度是变化的。度是变化的。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星

44、期一49 7.3.5 硬盘的分区域记录硬盘的分区域记录 因为因为内圈磁道的周长短，外内圈磁道的周长短，外圈磁道的周长长，所以内圈圈磁道的周长长，所以内圈磁道的位密度高，外圈磁道磁道的位密度高，外圈磁道的位密度低，最内圈磁道的的位密度低，最内圈磁道的位密度（最大位密度）决定位密度（最大位密度）决定了磁盘驱动器的容量了磁盘驱动器的容量。又因。又因为每个磁道记录的信息量及为每个磁道记录的信息量及转速是相同的，所以它们的转速是相同的，所以它们的数据传送率也是相同的。数据传送率也是相同的。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一50 由于外圈磁道比内圈磁道更长一些，但存储由于外圈

45、磁道比内圈磁道更长一些，但存储的信息量却相同，所以外圈磁道上明显地存在着的信息量却相同，所以外圈磁道上明显地存在着浪费。浪费。 采用分区域记录（等位密度）技术可以增加采用分区域记录（等位密度）技术可以增加硬盘驱动器的容量硬盘驱动器的容量。由于外圈磁道有更长的周长，。由于外圈磁道有更长的周长，所以外层磁道要比内层磁道包含更多的扇区，即所以外层磁道要比内层磁道包含更多的扇区，即外圈磁道上保存的信息比内圈磁道多。外圈磁道上保存的信息比内圈磁道多。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一51最内最内道道10个扇个扇区，区，最外最外道有道有32个个扇区。扇区。图图7-6 分区域记

46、录磁盘扇区分布分区域记录磁盘扇区分布计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一52 分区域记录的另一个影响是数据传输率随磁分区域记录的另一个影响是数据传输率随磁头所处的区域而变化。分区域驱动器还是以恒定头所处的区域而变化。分区域驱动器还是以恒定速度旋转，可是，由于速度旋转，可是，由于外层区域每磁道有更多的外层区域每磁道有更多的扇区，所以数据传输速度要更快一些扇区，所以数据传输速度要更快一些。这就是当。这就是当今驱动器标注最小和最大连续传输速率的原因，今驱动器标注最小和最大连续传输速率的原因，因为传输速率取决于磁头读因为传输速率取决于磁头读/写的位置。写的位置。 分区域记录

47、技术的使用，大大地提高了硬盘分区域记录技术的使用，大大地提高了硬盘利用率，与采用每磁道固定扇区的硬盘比较，使利用率，与采用每磁道固定扇区的硬盘比较，使驱动器增加了驱动器增加了2050的硬盘容量。实际上，的硬盘容量。实际上，现现在所有的在所有的IDE和和SCSI都采用分区域记录都采用分区域记录。 计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一53RAID 简介简介 RAID是是Redundent Array of Inexpensive Disks的缩写，直译为的缩写，直译为“廉价廉价冗余冗余磁盘阵列磁盘阵列”，也简称为，也简称为“磁盘阵列磁盘阵列”。后来。后来RAID中的字母

48、中的字母I被改作为被改作为Independent，RAID就成了就成了“独立冗余磁盘阵列独立冗余磁盘阵列”，但这只是名称的变化，实质性的内容并没有改变。但这只是名称的变化，实质性的内容并没有改变。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一54RAID 简介简介 可以把可以把RAID理解成一种使用磁盘驱动器的方法，理解成一种使用磁盘驱动器的方法，它将一组磁盘驱动器用某种逻辑方式联系起来，作为它将一组磁盘驱动器用某种逻辑方式联系起来，作为逻辑上的一个磁盘驱动器来使用逻辑上的一个磁盘驱动器来使用。一般情况下，组成。一般情况下，组成的逻辑磁盘驱动器的容量要小于各个磁盘驱动器容量的

49、逻辑磁盘驱动器的容量要小于各个磁盘驱动器容量的总和。的总和。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一557.4.1 RAID 简介简介RAIDRAID的优点如下：的优点如下： (1)(1)成本低，功耗小，传输速率高。在成本低，功耗小，传输速率高。在RAIDRAID中，可中，可以让逻辑上视为同一磁盘驱动器的多个物理驱动器以让逻辑上视为同一磁盘驱动器的多个物理驱动器同时传输数据，所以使用同时传输数据，所以使用RAIDRAID可以达到单个磁盘驱可以达到单个磁盘驱动器几倍、几十倍甚至上百倍的速率。动器几倍、几十倍甚至上百倍的速率。 (2)(2)提供容错功能。一般而言，普通磁盘驱

50、动器不提供容错功能。一般而言，普通磁盘驱动器不具有硬件容错功能。具有硬件容错功能。RAIDRAID的容错是建立在每个磁盘的容错是建立在每个磁盘驱动器的硬件容错功能之上的，所以它提供更高的驱动器的硬件容错功能之上的，所以它提供更高的安全性。安全性。 (3) (3) 与传统的磁盘驱动器比，价格与传统的磁盘驱动器比，价格/ /容量要低许多。容量要低许多。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一56 RAID分为分为6 6个级别，即个级别，即RAID0-RAID5，如表，如表7-37-3所示。在所示。在RAID1-RAID5的几种方案中，不论何时有的几种方案中，不论何时有磁盘损

51、坏，都可以随时拔出损坏的磁盘再插入好的磁盘磁盘损坏，都可以随时拔出损坏的磁盘再插入好的磁盘（需要硬件上的热插拔支持），数据不会受损，失效盘（需要硬件上的热插拔支持），数据不会受损，失效盘的内容可以很快地重建，重建的工作由的内容可以很快地重建，重建的工作由RAID硬件或硬件或RAID软件来完成。软件来完成。7.4.2 RAID的分级的分级 演示演示计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一57RAID级级别别名称名称数据数据磁盘磁盘数数可正常工作可正常工作的最多失效的最多失效磁盘数磁盘数检测检测磁盘数磁盘数RAID0无冗余无校验的磁盘阵列无冗余无校验的磁盘阵列800RAID

52、1镜象磁盘阵列镜象磁盘阵列818RAID2纠错海明码磁盘阵列纠错海明码磁盘阵列814RAID3位交叉奇偶校验的磁盘阵列位交叉奇偶校验的磁盘阵列811RAID4块交叉奇偶校验的磁盘阵列块交叉奇偶校验的磁盘阵列811RAID5无独立校验盘的奇偶校验磁无独立校验盘的奇偶校验磁盘阵列盘阵列811计算机组成原理计算机组成原理7.5 光盘存储器2022年年5月月9日星期一日星期一587.5.1 光盘存储器的类型光盘存储器的类型1.CD-ROM光盘光盘 只读型光盘，它由生产厂家预先写入数据和只读型光盘，它由生产厂家预先写入数据和程序，使用时用户只能读出，不能修改或写入新程序，使用时用户只能读出，不能修改或写

53、入新内容。内容。2.CD-R光盘光盘 CD-R光盘可由用户写入信息，写入后可以多光盘可由用户写入信息，写入后可以多次读出，但只能写入一次，信息写入后将不能再次读出，但只能写入一次，信息写入后将不能再修改，所以称为只写一次型光盘。修改，所以称为只写一次型光盘。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一593.CD-RW光盘光盘 CD-RW光盘是可以写入、擦除、重写的可逆光盘是可以写入、擦除、重写的可逆性记录系统。这种光盘类似于磁盘，可重复读性记录系统。这种光盘类似于磁盘，可重复读/写。写。4.DVD-ROM光盘光盘 DVD代表通用数字化多功能光盘，代表通用数字化多功能光盘，

54、简称简称高容高容量量CD。事实上，。事实上，任何任何DVD-ROM光驱都是光驱都是CD-ROM光驱光驱，即这类光驱既能读取，即这类光驱既能读取CD光盘，也能光盘，也能读取读取DVD光盘。光盘。DVD除了密度较高以外，其他技除了密度较高以外，其他技术与术与CD-ROM完全相同。完全相同。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一607.5.2 光盘存储器的组成及工作原理光盘存储器的组成及工作原理 1. 光盘存储器的组成光盘存储器的组成 光盘存储器由光盘控制器和光盘驱动器光盘存储器由光盘控制器和光盘驱动器及接口组成。及接口组成。 光盘控制器主要包括光盘控制器主要包括数据输入缓

55、冲器数据输入缓冲器、记录格式器、编码器、读出格式器和数据记录格式器、编码器、读出格式器和数据输出缓冲输出缓冲器器等部分。等部分。 光盘驱动器主要包括主轴电机驱动机构、光盘驱动器主要包括主轴电机驱动机构、定位机构、定位机构、光头装置光头装置及电路等。其中光头装置部分及电路等。其中光头装置部分最复杂，是驱动器的关键部分。最复杂，是驱动器的关键部分。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一617.5.2 光盘存储器的组成及工作原理光盘存储器的组成及工作原理 2. CD-ROM光盘的制作与读取光盘的制作与读取 1)、CD-ROM光盘是采用母盘灌制的方法大批量光盘是采用母盘灌制的

56、方法大批量生产的。首先用事先编制好的程序控制激光刻片机，生产的。首先用事先编制好的程序控制激光刻片机，对一张玻璃基板进行蚀刻，将要存储的数据内容在玻对一张玻璃基板进行蚀刻，将要存储的数据内容在玻璃基板上形成一个个数据凹痕，这个制作完成的玻璃璃基板上形成一个个数据凹痕，这个制作完成的玻璃基板就是下步大量压制基板就是下步大量压制CD-ROM光盘的母盘。光盘的母盘。2)、将、将聚碳酸脂熔液倒入做好的母盘模具中，冷却后就成了聚碳酸脂熔液倒入做好的母盘模具中，冷却后就成了具有同玻璃基板相应凹槽的基片，在其表面喷有一层具有同玻璃基板相应凹槽的基片，在其表面喷有一层厚度约为厚度约为50nm的的铝质反光涂料铝

57、质反光涂料( (通常将它称为反射层，其作用通常将它称为反射层，其作用就是将读数时的激光反射给接收装置就是将读数时的激光反射给接收装置) )，1 1张光盘便制作完成。张光盘便制作完成。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一62数据区螺旋型数据轨道中心孔空白区7.5mm35mm当光驱读取这当光驱读取这些盘片时，激些盘片时，激光头射出的激光头射出的激光束在穿过表光束在穿过表面的透明基片面的透明基片后，直接聚集后，直接聚集在盘片反射层在盘片反射层上，反射回来上，反射回来的激光会被光的激光会被光感应器检测到。感应器检测到。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一

58、日星期一63数据区螺旋型数据轨道中心孔空白区7.5mm35mm每当激光通过每当激光通过凹痕时光强会凹痕时光强会发生变化，代发生变化，代表读取到数据表读取到数据“1”；而激光；而激光通过平坦表面通过平坦表面时光强不发生时光强不发生变化，则代表变化，则代表读 取 到 数 据读 取 到 数 据“0”。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一647.5.2 光盘存储器的组成及工作原理光盘存储器的组成及工作原理 3. CD-R光盘的读写原理光盘的读写原理 CD-R光盘上有一个有机染料刻录层，激光可光盘上有一个有机染料刻录层，激光可以对该层的一个微小区域加热，烧透染料层使其不以对该

59、层的一个微小区域加热，烧透染料层使其不透明，即打出一个微米级的透明，即打出一个微米级的凹坑。有凹坑代表写入凹坑。有凹坑代表写入“1 1”，无凹坑代表写入，无凹坑代表写入“0 0”。 读出时，用比写入功率低的激光束，连续读出时，用比写入功率低的激光束，连续照射在光盘上。由于在凹坑和非凹坑处的反射光强照射在光盘上。由于在凹坑和非凹坑处的反射光强不同，体现为光反射率的变化，据此区分出不同，体现为光反射率的变化，据此区分出0 0和和1 1。计算机组成原理计算机组成原理2022年年5月月9日星期一日星期一657.5.2 光盘存储器的组成及工作原理光盘存储器的组成及工作原理 4. CD-RW 光盘的读写原

60、理光盘的读写原理 CD-RW光盘是利用激光照射引起记录介质的光盘是利用激光照射引起记录介质的可逆可逆性性物理变化来进行读写的，光盘上有一个相位变化刻录物理变化来进行读写的，光盘上有一个相位变化刻录层，所以层，所以CD-RW光盘又称为相变光盘。光盘又称为相变光盘。 相变光盘的读写原理是利用存储介质的晶态相变光盘的读写原理是利用存储介质的晶态- -非晶态可逆转换，引起对入射激光束不同强度的非晶态可逆转换，引起对入射激光束不同强度的反射反射(或折射或折射)，形成信息一一对应的关系。形成信息一一对应的关系。 写入时，利用高功率的激光聚焦于记录介质表写入时，利用高功率的激光聚焦于记录介质表面的一个微小区